CN111411343A - 一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用 - Google Patents

一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于自旋电子学领域，更具体地，涉及一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁、其制备和应用。将表面清洁的铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在Fe(111)表面上生长出单层石墨烯。由于石墨烯的存在，单晶Fe(111)可以保持其原有的性能，防止与空气中的氧气发生反应。由于Fe结构的独特性质，大量随机取向的畴壁被观察到，这样高质量的自旋器件可以简单地通过在铁表面上生长单层石墨烯来制造，在以后的研究中这种器件有望应用于存储领域或者逻辑计算领域。

Description

一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用
技术领域
本发明属于自旋电子学领域，更具体地，涉及一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用。
背景技术
铁在有氧条件下会经历腐蚀过程。被氧化的铁可能会失去延展性、耐久性和其他重要的物理性质。对于自旋电子应用领域的研究，铁是一种很重要的材料，具有较好的自旋磁特性，但是很容易被氧化，极难保持纯净的晶体下的物理特性。一般通过合金或盖层形式可以用于保护铁，但仍达不到理想的效果。为了防止腐蚀，研究人员研究了合金生产、阴极保护和涂层等方法。传统的涂层剂包括重金属，如Cd和挥发性有机溶剂，如甲醛，这可能会导致环境和健康问题，类似于那些与镀锌方法有关的问题，性能并不理想，需要寻找新的方法来防止铁晶体表面发生氧化。
洪正敏等人在仅100微米的很薄的Fe(1 0 0)金属箔片上生长大面积的多层石墨烯。该方法对铁箔有厚度要求，限制它的应用范围，且制备难度增大；另外，该方法生长流程比较复杂，需要考虑的因素很多；而且该方法制得的生长多层石墨烯的Fe(100)畴壁不明显，磁矩较小，不具有很好的防止铁晶体表面氧化的功能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁(111)、其制备和应用，其通过解离吸附的方法，使铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在Fe(111)表面生长出单层石墨烯，由此解决现有技术的铁单晶畴壁不明显，磁矩较小，且易氧化等的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种在单晶铁(111)表面上合成单层石墨烯的方法，包括如下步骤：
将表面清洁的单晶铁(111)铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，该真空环境内的压力不高于10-5帕；通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在单晶铁(111)的表面长出单层石墨烯。
优选地，所述烃类气体为C2H2或者CH4气体。
优选地，所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，通过如下方法获得：
对单晶铁(111)铁样品表面进行多次溅射轰击以及真空退火，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO2或O2的峰值，得到表面清洁的单晶铁(111)铁样品。
优选地，获得所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，具体包括如下步骤：
(1-1)将单晶铁(111)铁样品放置于超高真空溅射腔室内，在不低于500eV且不高于1500eV的能量下进行Ar+溅射轰击铁样品表面；所述超高真空溅射腔室内的压力不高于10-5帕；
(1-2)将铁样品在不低于500K且不高于1000K的温度条件下进行高温真空退火2-5分钟；
(1-3)重复步骤(1-1)和步骤(1-2)，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO2或O2的峰值，得到表面清洁的单晶铁(111)铁样品。
优选地，步骤(1-1)所述Ar+溅射轰击时间不短于30分钟。
优选地，步骤(1-3)通过光电子发射光谱学、低能电子衍射和角分辨光电子能谱学中的至少一种进行S、NO2或O2的检测。
优选地，所述真空环境中烃类气体的气压为1×10-6到1×10-5托，解离吸附时的温度为不低于500K且不高于1000K。
按照本发明的另一个方面，提供了一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁，在单晶铁(111)的表面上生长覆盖有单层石墨烯。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的表面生长有单层石墨烯的单晶铁的应用，用于制备自旋器件。
按照本发明的另一个方面，提供了一种自旋器件，包括所述的表面生长有单层石墨烯的单晶铁。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供了一种在单晶铁(111)晶面上合成单层石墨烯的方法，将表面清洁的单晶铁(111)铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在Fe(111)表面生长出单层石墨烯。实验证明，能够通过化学解离吸附的方法，将烃类气体中的碳解离吸附在单晶铁(111)晶面上，获得表面生长有单层石墨烯的单晶铁。
(2)本发明通过在10-5至10-10帕超高真空(ultra-high vacuum，UHV)条件下，通过解离吸附的方法成功在单晶铁(111)表面生长出高质量的单层石墨烯。
(3)本发明通过实验证明了表面生长有单层石墨烯的单晶Fe(111)的磁特性。由于石墨烯的存在，单晶Fe(111)基底可以保持其原有的性能，因为石墨烯可以防止单晶铁与空气中的氧气发生反应。由于Fe结构的独特性质，大量随机取向的畴壁被观察到，这样高质量的自旋器件可以简单地通过在表面上生长石墨烯来制造，在以后的研究中这种器件有望应用于存储领域或者逻辑计算领域。
附图说明
图1中显示了没有覆盖单层石墨烯的裸铁(上半图)和覆盖单层石墨烯涂层的铁(下半图)两种情况下铁表面的PES光谱。
图2表示暴露至含量3000L氧后，裸铁(上半图)和单层石墨烯涂层(下半图)Fe(111)表面的PES结果；
图3是AFM、STM(Scanning tunneling microscopy)、MFM和SPLEEM(spin-polarized low-energy electron microscopy)的测量结果。其中，图3中内容(A)表示原子力显微镜(Atomic force microscopy，AFM)图像；图3内容(B)是在环境条件下测得的MFM图像；图3内容(C)是通过SPLEEM获得的畴结构显微图。
图4给出了材料结构的示意图、层的形成以及由此产生的带结构:图4内容(A)是裸Fe(111)结构示意图。图4内容(B)是石墨烯在Fe(111)上形成后的结构模型。图4内容(C)和内容(D)分别是裸铁(111)和单层石墨烯/铁(111)在K点周围的角分辨光电子能谱学(angle-resolved photoemission spectroscopy，ARPES)图像。图4内容(E)是Fe(111)上单层石墨烯的低能电子衍射(low-energy electron diffraction，LEED)图。图4内容(F)表明该模式显示了两个单独旋转的畴。
图5是Fe(111)/单层石墨烯结构的M-H环形曲线以及x射线光谱。其中，图5内容(A)是该结构在面内方向的M-H曲线图，表明了易磁化轴是在面内方向，垂直磁化分量上曲线是线性变化的，是难磁化轴。图5内容(B)表示石墨烯生长后Fe(111)的x射线吸收谱(X-rayabsorption spectroscopy，XAS)和x射线磁性圆二色性谱(X-ray magnetic circularDichroism，XMCD)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种在单晶铁(111)表面合成单层石墨烯的方法，Fe(111)是一种具有bcc结构的铁，这种结构的铁的晶向是(111)方向。该方法包括如下步骤：
将表面清洁的单晶铁(111)铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在Fe(111)表面生长出单层石墨烯。
本发明在单晶铁(111)表面合成单层石墨烯的过程中，烃类气体解离并吸附在单晶铁表面，采用低能电子衍射(low-energy electron diffraction，LEED)对单晶铁表面进行原位监测，待单晶铁表面完全覆盖单层石墨烯，即可停止该解离吸附过程。
本发明所述烃类气体为含碳和氢且不含氧的小分子气体，比如碳数为1至4的烃类气体，一些实施例中所述烃类气体为C2H2或者CH4气体。
一些实施例中，所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，通过如下方法获得：
对单晶铁(111)铁样品表面进行溅射轰击以及高温真空退火，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO2或O2等污染物的峰值，得到表面清洁的铁样品。
一些实施例中，具体包括如下步骤：
(1-1)将铁样品放置于超高真空溅射腔室内，在不低于500eV且不高于1500eV的能量下进行Ar+溅射轰击铁样品表面；所述超高真空溅射腔室内的压力不高于10-5帕；
(1-2)将铁样品在超高真空环境室中在不低于500K且不高于1000K的温度条件下进行高温真空退火2-5分钟；
(1-3)重复步骤(1-1)和步骤(1-2)，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO2或O2的峰值，得到表面清洁的铁样品。
一些实施例中，步骤(1-1)所述Ar+溅射轰击时间不短于30分钟。
一些实施例中，步骤(1-2)在压力为10-5～10-10帕超高真空环境下进行所述高温真空退火。本发明步骤(1-2)高温真空退火的升温过程在氢气和氩气的环境下进行，升至目标温度以后，抽真空至目标压力范围(10-5～10-10帕)，待退火完成后，再通入氢气和氩气，在氢气和氩气的环境下恢复至室温。
本发明在所有的升温和降温过程中，均在氢气和氩气的气氛下进行，以避免铁样品氧化或引入杂质。
一些实施例中，步骤(1-3)通过光电子发射光谱学(photoemissionspectroscopy，PES)、低能电子衍射(low-energy electron diffraction，LEED)和角分辨光电子能谱学(angle-resolved photoemission spectroscopy，ARPES中)中的至少一种进行S、NO2或O2等污染物的检测。
本发明通过控制生长条件，可以控制在Fe(111)表面生长单层石墨烯而非多层石墨烯。一些实施例中，所述真空环境中烃类气体的气压为1×10-6到1×10-5托。解离吸附时的温度为不低于500K且不高于1000K。
在本发明指定的特定条件下，石墨烯在单晶铁上形成单层石墨烯之后会停止解离吸附，即仅会形成高质量的单层石墨烯。
本发明还提供了一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁，其在铁(111)的表面上生长覆盖有单层石墨烯。Fe(111)/单层石墨烯这种结构具有磁学特性，具备应用于自旋领域的潜力。
本发明还提供了所述的表面生长有单层石墨烯的单晶铁的应用，用于制备自旋器件。
本发明还提供了一种自旋器件，其特征在于，包括所述的表面生长有单层石墨烯的单晶铁。
本发明制备的单晶铁(111)由于覆盖了单层石墨烯，可以研究纯净的单晶铁的磁学特性以及与单层石墨烯作用后的性质。
开发铁碳基材料的替代形式是急需的，本发明提出了一种可以将单层石墨烯生长在单晶铁上，从而可以对单晶铁产生绝密的保护作用，即使是最小的原子，也不会有杂质穿透石墨烯。同时由于单晶铁和单层石墨烯的界面作用，可以很好地探测单晶铁/单层石墨烯这种结构的自旋磁特性等，有望应用于目前具有很好研究前景的自旋电子学领域。这种材料组合具有上述优点，在未来电子学的许多实际应用中可能是关键的。
本发明提出了在超高真空度的条件下，用解离吸附的方法在单晶Fe(111)上合成单层石墨烯，铁和单层石墨烯具有界面耦合效应。在石墨烯涂层后，研究了单晶Fe(111)的本征磁性和电子性质以及碳涂层的影响等。
本发明提出了一种在单晶Fe(111)表面合成了一种均匀的单层石墨烯结构的方法。与其他合成方法相比，烃类气体的解离吸附是独特和创新的，因为它允许超高质量的石墨烯在超高真空条件下生长在单晶铁晶体上。
一些实施例中，具体方法如下：
S1、将铁样品放置于超高真空溅射腔室内，在1keV的能量下进行Ar+溅射轰击铁样品表面；
S2、然后在超高真空室中在500-1000k的温度条件下进行高温真空退火2-5分钟；
S3、将过程S1和S2定义为一个循环，再重复两次乃至多于两次的循环，轰击铁表面大约30分钟，或者更长时间。这些循环的目的是为了清洗铁样品的表面，使得铁单晶的表面保持足够的纯净。这个过程一直进行到PES没有观察到S、NO2或O2等污染物的峰值。在用LEED和ARPES进一步确认表面纯度后方可停止。
S4、电脑程序控制充入连续的或者脉冲的C2H2或者CH4气体，气压达到1*10-6到5*10-6托后，在500-1000K的温度条件和超高真空环境下，从C2H2或者CH4中夺取碳元素，通过解离吸附的方法在Fe(111)基板上生长出单层石墨烯。
本发明属于自旋电子学领域，更具体来说，涉及一种新型的在单晶铁上制备单层石墨烯的方法，覆盖单层石墨烯后的单晶铁具有良好的磁性能，可以更好地应用于自旋电子器件中，有望用于存储和逻辑计算领域。
除了单层石墨烯和铁晶体表面存在的界面效应外，同时，石墨烯在Fe(111)上的存在可以阻止Fe的氧化，从而使得铁晶体保持了其独特的物理性质，使铁用于自旋结构的构想成为可能。
沿(100)平面的铁晶体的磁化需要的能量最少，而沿(111)的铁晶体需要的能量最大，约为每个原子3.5*10-6eV。作为一种强铁磁材料，具有二维界面的铁由于界面诱导的磁各向异性能(MAE)的变化会产生磁耦合。因此，在碳包覆bcc-Fe(111)结构的基础上，通过操纵Fe(111)取向的性质来将其用作自旋结构应用中是可能的。自旋结构以一种独特的方式排列，可以形成取向畴结构，导致磁化倾斜甚至翻转。
洪正敏等在Fe(100)金属薄片上生长大面积的多层石墨烯，，然而得到的表面覆盖多层石墨烯的单晶铁(100)畴壁不明显，磁矩较小，不具有很好的防止铁晶体表面氧化的功能。本发明选择在Fe(111)的表面生长单层的石墨烯，采用了较为简单的制备方法。按照本发明所述的制备条件进行生长，即可合成高质量的单层石墨烯。本发明生长的单层石墨烯可以很好地防止氧原子与铁表面接触反应。本发明实现的结构具备明显地磁畴结构以及较大的磁矩和优秀的磁学特性，更好地展现了铁晶体的本征磁特性，以及铁晶体与单层石墨烯表面的耦合作用。
以下为具体实施例：
实施例1
一种在单晶Fe(111)衬底上合成单层石墨烯结构的方法如下：
S1、将铁样品放置于超高真空溅射腔室内，压力为10-6Pa，在1keV的能量下进行Ar+溅射轰击铁样品表面；
S2、通入氢气和氩气，升温至1000K；然后抽真空至10-6Pa，在该特高真空室中、在1000K的温度条件下进行高温真空退火5分钟；通入氢气和氩气，降温至室温。
S3、将过程S1和S2定义为一个循环，再重复两次循环。轰击铁表面的总共时间为30分钟。PES检测没有观察到S、NO2或O2污染物的峰值。用LEED和ARPES进一步确认，没有检测到铁单晶表面有其他的污染物。
S4、电脑程序控制充入连续的或者脉冲的CH4气体，气压达到1×10-6到1×10-5托后，在1000K的温度条件的真空环境下，从CH4中夺取碳元素，通过LEED现场监测，表面覆盖完全单层石墨烯后就可以停止反应，通过解离吸附的方法在Fe(111)表面生长出单层石墨烯。
铁晶体在合成前的预处理是关键的一步。图1中的上部内容显示了裸Fe(111)(没有生长单层石墨烯的Fe单晶)的宽扫描光谱。重复的溅射和退火使Fe衬底表面达到超净的效果，导致在50eV附近产生了一个频谱相对较小的C1s峰和一个较强的Fe 3p峰。如图1中的下部内容所示，单层石墨烯形成后，C 1s峰强度增大，Fe 3p峰强度明显减弱。这些结果是单层石墨烯沉积成功的一个标志，表明Fe表面被碳原子覆盖。c1s峰的半最大宽度(FWHM)约为0.58eV，表明形成了高质量的单层石墨烯。这一峰值比CVD生长的石墨烯的峰值要窄得多。
铁很容易氧化和腐蚀，这严重限制了它在许多应用中的使用，如计算机电子和自旋电子器件。图2显示了在增加O2暴露条件下，裸铁(无石墨烯涂层)(图2上部内容)和有石墨烯涂层(图2下部内容)的Fe表面的光电发射光谱(PES)。裸Fe表面(上)的光谱在52.5eV处出现了一个尖锐的Fe 3p峰，没有观察到其他峰。然而，当表面暴露于氧时，O2s峰出现在～21.95eV,Fe表面对氧的吸收大大改变了价带谱。当氧气不足100L时，O 2s峰的强度达到饱和。Fe 3p核能级的峰值也会因为氧原子和Fe原子之间形成的化学键而发生很大的变化。
相比之下，当石墨烯覆盖的Fe表面暴露于氧时，甚至当氧气含量高达3000L时，铁3p峰值仍然几乎不变，没有观察到O 2s峰。这些结果表明,任何一个氧原子都无法穿透单层石墨烯，他们不与铁原子结合。单层石墨烯可以完全保护铁表面不被氧化。这种保护作用也通过铁氧基测试得到了证实。
室温条件下的扫描隧道显微镜(STM)成像可以识别原始石墨烯结构。我们的分析证实了合成的石墨烯非常光滑，如图3的光谱所示。图3内容(A)表示原子力显微镜(Atomicforce microscopy，AFM)图像，显示了制备成功后器件的表面形貌。图3内容(A)中的插图显示了类树枝状的线条，这是石墨烯层覆盖下的Fe阶梯边缘结构的反映。这一结果证实了Fe(111)取向的发生和合成过程中的热效应。形貌图像来源于铁-石墨烯界面。
图3内容(B)是在环境条件下合成的相同结构的MFM图像。图像尺寸为5*5平方微米。在室温条件下收集的超高灵敏度磁力显微镜(MFM)图像显示独特的磁畴结构(图3内容(B))。磁畴结构表现为多分枝的树状结构。由于某些畴壁在热力学上是不利的，所以畴的减少以低能结构稳定下来(更有利)。文献报道，单层石墨烯不表现出有序的磁性；相反，它可以防止铁基的氧化。图3内容(A)显示了单晶Fe(111)上单层石墨烯的STM环境图像(200*200nm的图像)，环境条件下的扫描隧道显微镜(STM)成像可以识别原始石墨烯结构，证实了合成的石墨烯非常光滑。
图3内容(C)是通过SPLEEM获得的畴结构显微图。畴模式显示随机的、定向的、急剧分支的畴结构。视场(FOV)是8微米。为了进一步研究磁定向，我们在特高压条件下进行了自旋极化低能电子显微镜(SPLEEM)实验。在SPLEEM中，电子在穿过磁场之前和之后都被测量。结果揭示了系统中独特的磁畴模式，而不需要样品暴露在磁场中。利用不同的磁性方向，SPLEEM可以清晰地显示Fe(111)的畴结构。图3内容(C)中的色标表示了图像中0到360度的磁性方向。即使在环境和特高压条件下进行氩退火和溅射，在原始Fe(111)中也没有观察到这些类型的独特畴结构。证明了单层石墨烯和单晶铁界面具有耦合效应，更好地显示和保存了单晶铁的良好的磁特性。
图4给出了材料结构的示意图，以及层的形成和由此产生的带结构:图4内容(A)是裸Fe(111)结构示意图。图4内容(B)是石墨烯在Fe(111)上形成后的结构模型。图4内容(C)裸铁(111)和内容(D)石墨烯/铁(111)在K点周围的角分辨光电子能谱学(angle-resolvedphotoemission spectroscopy，ARPES)图像。图4内容(E)是Fe(111)上石墨烯的低能电子衍射(low-energy electron diffraction，LEED)模式。图4内容(F)表明该模式显示了两个单独旋转的畴。ARPES结果也显示双π能带，与LEED结果一致。
图4内容(C)展示了裸铁(111)(左)和石墨烯/铁(111)(右)的能带结构。可以清楚地观察到石墨烯的σ2,3和π能带，这些态的结合能低于费米能，分别是约4.5eV和约8.5eV。图4内容(D)显示了费米能级附近的两个清晰的π能带，表明高质量的石墨烯是在Fe(111)表面合成的。石墨烯与Fe(111)之间的相互作用能比石墨烯与其他过渡金属(如镍和钴)之间的相互作用能更强。两个不同的π能带来自两个单独旋转的石墨烯畴。能带色散的旋转是双磁畴的一个特征。此外，还观察到两个抛物线σ1带，类似于这两个π能带。在K点周围的σ1能带的最小值被测量到位于费米能量之下约10ev处。
图4内容(E)显示了石墨烯/Fe(111)的低能电子衍射(LEED)模式。六方晶格结构起源于bcc-Fe(111)。其他两个点A和B表示在Fe(111)上形成了两个旋转的石墨烯磁畴。相对于Fe(111)的六边形的旋转角大约是正负15度。为了更好地理解旋转角度，图4内容(F)显示了角度分辨光电发射光谱(ARPES)和LEED模式。旋转角度与ARPES结果一致。
图5是该结构的M-H环形曲线以及计算和实验的x射线光谱。其中，图5内容(A)是结构在面内方向的M-H曲线图，表明了易磁化轴是在面内方向，垂直磁化分量上曲线是线性变化的，是难磁化轴。图5内容(B)表示石墨烯生长后Fe(111)的x射线吸收谱(X-rayabsorption spectroscopy，XAS)和x射线磁性圆二色性谱(X-ray magnetic circularDichroism，XMCD)。x射线的穿透深度小于7nm。图像呈现典型的金属行为，没有峰分裂或任何氧化的迹象，尽管系统暴露在空气中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在单晶铁(111)表面上合成单层石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将表面清洁的单晶铁(111)铁样品置于含有烃类气体的真空环境中，该真空环境内的压力不高于10-5帕；通过解离吸附的方法，该铁样品从烃类气体中夺取碳元素，在单晶铁(111)的表面长出单层石墨烯。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烃类气体为C2H2或者CH4气体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，通过如下方法获得：
对单晶铁(111)铁样品表面进行多次溅射轰击以及真空退火，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO2或O2的峰值，得到表面清洁的单晶铁(111)铁样品。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，获得所述表面清洁的单晶铁(111)铁样品，具体包括如下步骤：
(1-1)将单晶铁(111)铁样品放置于超高真空溅射腔室内，在不低于500eV且不高于1500eV的能量下进行Ar+溅射轰击铁样品表面；所述超高真空溅射腔室内的压力不高于10-5帕；
(1-2)将铁样品在不低于500K且不高于1000K的温度条件下进行高温真空退火2-5分钟；
(1-3)重复步骤(1-1)和步骤(1-2)，以清除其表面的污染物，直至在铁样品表面检测不到S、NO2或O2的峰值，得到表面清洁的单晶铁(111)铁样品。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1-1)所述Ar+溅射轰击时间不短于30分钟。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1-3)通过光电子发射光谱学、低能电子衍射和角分辨光电子能谱学中的至少一种进行S、NO2或O2的检测。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空环境中烃类气体的气压为1×10-6到1×10-5托，解离吸附时的温度为不低于500K且不高于1000K。
8.一种表面生长有单层石墨烯的单晶铁，其特征在于，在单晶铁(111)的表面上生长覆盖有单层石墨烯。
9.如权利要求8所述的表面生长有单层石墨烯的单晶铁的应用，其特征在于，用于制备自旋器件。
10.一种自旋器件，其特征在于，包括如权利要求8所述的表面生长有单层石墨烯的单晶铁。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102050442A (zh) * 2009-11-10 2011-05-11 三星电子株式会社 利用合金催化剂制造石墨烯的方法
CN103201405A (zh) * 2010-11-09 2013-07-10 Posco公司 石墨烯被覆钢板及其制造方法
KR20150000362A (ko) * 2013-06-24 2015-01-02 삼성전자주식회사 단일 결정 그래핀 필름 제조방법
CN105229196A (zh) * 2013-05-21 2016-01-06 汉阳大学校产学协力团 大面积单晶单层石墨烯膜及其制备方法
CN109183145A (zh) * 2018-11-19 2019-01-11 绍兴文理学院 一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102050442A (zh) * 2009-11-10 2011-05-11 三星电子株式会社 利用合金催化剂制造石墨烯的方法
CN103201405A (zh) * 2010-11-09 2013-07-10 Posco公司 石墨烯被覆钢板及其制造方法
CN105229196A (zh) * 2013-05-21 2016-01-06 汉阳大学校产学协力团 大面积单晶单层石墨烯膜及其制备方法
KR20150000362A (ko) * 2013-06-24 2015-01-02 삼성전자주식회사 단일 결정 그래핀 필름 제조방법
CN109183145A (zh) * 2018-11-19 2019-01-11 绍兴文理学院 一种在石墨烯基底上制备酞菁铁单晶薄膜的方法

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